一种元素均匀分布的负极材料及其制备方法与流程

本发明属于负极材料，尤其涉及一种元素均匀分布的负极材料及其制备方法。

背景技术：

1、最近随着电子便携设备和电动汽车的发展，其对电池的体积、重量、容量和经济性提出了更高的要求，因此对高能量密度电池有着迫切的需求。目前提高电池能量密度的方式是采用氧化亚硅作为负极材料，其理论容量达到2100mah/g，远高于目前商业化的高端石墨负极容量，成为最具开发潜力的电池负极材料之一。

2、目前氧化亚硅制备工艺方法为：使用镁粉、硅粉、二氧化硅粉混合，真空下加热蒸发，再冷却沉积所得到，现阶段高首效氧化亚硅在锂离子电池充放电时，仍然存在体积膨胀较大、循环性能差的问题。为了解决体积膨胀的问题，现有技术中通常采用有机或无机碳源，直接在硅负极颗粒的外部包覆一层碳层，但是效果有限。

3、为了获得改善高首效氧化亚硅体积膨胀及循环差问题，有必要改进含碳高首效负极材料的制备方法。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中氧化亚硅负极材料高膨胀的问题，本申请提供一种元素均匀分布的负极材料及其制备方法，将碳材料均匀的嵌入到硅、氧和镁结构内部，冷却后形成内部为纳米级碳、硅和镁元素均匀分布的负极材料，能降低膨胀率，提高循环性能。

2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案如下：

3、本发明第一方面提供一种元素均匀分布的负极材料，所述负极材料由碳、硅、氧和镁共沉淀组成，所述碳、硅、氧和镁均为纳米级粒子，且碳、硅和镁均匀地分布于所述负极材料中。

4、本发明的负极材料中，碳、硅和镁均匀分布，碳元素均匀的分布在氧化亚硅负极材料的内部，解决了现有技术中氧化亚硅在锂离子电池充放电时，体积膨胀较大、循环性能差的问题。

5、作为一种可选的实施方式，在本发明提供的制备方法中，所述负极材料中硅氧含量为65～80％，碳含量为2～17％，镁含量8-13％。

6、基于相同的技术构思，本发明还提供上述元素均匀分布的负极材料的制备方法，包括以下步骤：

7、s1、将硅粉末、二氧化硅粉末和镁粉加入到真空加热炉的加热端，抽取真空达到10pa以下；

8、s2、在真空条件下将含有硅粉末、二氧化硅粉末和镁粉的加热端升温至粉末气化状态，然后在加热端后部的有机气体反应区通入有机气体，升温使有机气体分解成碳后形成气化状态，气化的二氧化硅粉末和镁粉反应后与硅和碳在真空加热炉冷却端共沉积，即得到碳和含镁氧化亚硅共沉积的元素均匀分布的负极材料。

9、本发明中首先将硅粉末、二氧化硅粉末和镁粉加入到真空加热炉的加热仓中，抽取真空后，将硅粉末与二氧化硅粉末、镁粉末加热，使硅和二氧化硅、镁粉在真空下蒸发至气化状态，二氧化硅和镁粉反应生成硅酸镁，在真空作用下，气态的硅酸镁分子和硅分子向后续管路流动，然后在蒸汽流动方向管路的一侧通过辅助管路通入有机气体，使有机气体在高温下分解生成碳分子和其它气体，碳分子和硅酸镁分子、硅分子一起向后续管路流动，此时碳、硅、硅酸镁是以分子级别叠加相互嵌入，即将碳材料均匀的嵌入到硅、氧和镁结构内部的颗粒，达到沉积端降温沉积形成内部碳为纳米级均匀分布的负极材料，在真空作用下，其它气体在真空作用下被抽走，此处真空管口处有滤膜，气体能通过。

10、作为一种可选的实施方式，在本发明提供的制备方法中，将含有硅粉末、二氧化硅粉末和镁粉的加热端升温至1150-1400℃。

11、控制在1150-1400℃温度下，高于此温度，会大大降低设备使用寿命。低于此温度，反应速率过慢。

12、作为一种可选的实施方式，在本发明提供的制备方法中，步骤s2中，通过辅助管路通入有机气体，有机气体的流速为0.1-1l/min。

13、在本发明中，通过控制有机气体的通入量，产物中可形成不同碳含量占比的物料，在此范围内碳占比越高，材料容量、首效越低。

14、作为一种可选的实施方式，在本发明提供的制备方法中，步骤s2中，将有机气体反应区升温至700～1150℃，继续保温6-10h。

15、作为一种可选的实施方式，在本发明提供的制备方法中，当有机气体为甲烷时，有机气体反应区温度为900-1150℃；当有机气体为乙烯时，有机气体反应区温度为800-1000℃；当有机气体为乙炔时，有机气体反应区温度为700-900℃。

16、作为一种可选的实施方式，在本发明提供的制备方法中，步骤s2中，真空加热炉冷却端的冷却温度为500-800℃。

17、将真空加热炉冷却端的冷却温度控制在500-800℃，在此温度范围内沉积的材料为非晶材料，更有利于根据需求加工不同性能材料，而高于此温度会生成晶体材料。

18、作为一种可选的实施方式，在本发明提供的制备方法中，步骤s1中，硅粉末的粒度为2～8μm，二氧化硅粉末的粒度为2～8μm，镁粉的粒度为10～30μm。

19、在本发明中，硅粉、二氧化硅粉因硬度大、蒸发温度高，故需粒度小，且气碎分级机设备能力也集中在2-8um范围。镁粉蒸发温度低，故设计镁粉大粒度，因此控制硅粉和二氧化硅粉末粒度2～8μm，镁粉粒度10～30μm，有利于控制反应速率。

20、作为一种可选的实施方式，在本发明提供的制备方法中，步骤s1中，硅粉末、二氧化硅粉末和镁粉的摩尔比为1：1：(0.2～0.35)。

21、物料摩尔比超出上述范围，会导致负极材料中镁占比较低或偏多，都会使负极材料的容量和首效降低。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

23、(1)针对现有预镁高首效亚硅材料存在膨胀率高的问题，本发明在真空状态下引入有机气体，共沉积碳后，使碳进入到硅基负极材料的结构内部，且碳在负极材料的内部均匀分布。与现有技术中，常压状态下进行气相沉积形成的包覆碳相比，更有利于降低负极材料的膨胀率。

24、(2)本发明中使用真空加热炉，首先在加热端通入硅粉、二氧化硅粉末和镁粉，抽取真空，加热到一定温度后，硅粉、二氧化硅粉末和镁粉气化，然后通过辅助管路通入有机气体，使有机气体在高温下分解成碳，在原有高首效氧化亚硅真空沉积形成过程中，复合沉积一定量的碳，通过含碳的混合沉积结构，改善高首效氧化亚硅的体积膨胀问题。

技术特征：

1.一种元素均匀分布的负极材料，其特征在于，所述负极材料由碳、硅、氧和镁共沉淀组成，所述碳、硅、氧和镁均为纳米级粒子，且碳、硅和镁均匀地分布于所述负极材料中。

2.根据权利要求1所述的元素均匀分布的负极材料，其特征在于，所述负极材料中硅氧含量为65～80％，碳含量为2～17％，镁含量8-13％。

3.权利要求1或2所述的元素均匀分布的负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的元素均匀分布的负极材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中，将含有硅粉末、二氧化硅粉末和镁粉的加热端升温至1150-1400℃。

5.根据权利要求3所述的元素均匀分布的负极材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中，通过辅助管路通入有机气体，有机气体的流速为0.1-1l/min。

6.根据权利要求3所述的元素均匀分布的负极材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中，将有机气体反应区升温至700～1150℃，继续保温6-10h。

7.根据权利要求3所述的元素均匀分布的负极材料的制备方法，其特征在于，所述有机气体为甲烷、乙烯、乙炔中的一种，当有机气体为甲烷时，有机气体反应区温度为900-1150℃；当有机气体为乙烯时，有机气体反应区温度为800-1000℃；当有机气体为乙炔时，有机气体反应区温度为700-900℃。

8.根据权利要求3所述的元素均匀分布的负极材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中，真空加热炉冷却端的冷却温度为500-800℃。

9.根据权利要求1所述的元素均匀分布的负极材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中，硅粉末的粒度为2～8μm，二氧化硅粉末的粒度为2～8μm，镁粉的粒度为10～30μm。

10.根据权利要求1所述的元素均匀分布的负极材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中，硅粉末、二氧化硅粉末和镁粉的摩尔比为1：1：(0.2～0.35)。

技术总结
本发明公开一种元素均匀分布的负极材料及其制备方法，在真空条件下使硅粉末、二氧化硅粉末和镁粉蒸发形成气化状态，然后在真空状态下引入有机气体，加热后使碳蒸发形成气化状态，将碳材料均匀的嵌入到硅、氧和镁结构内部，冷却后形成内部为纳米级碳、硅和镁元素均匀分布的负极材料，能降低材料的膨胀率，提高循环性能，与常压状态下进行气相沉积形成的包覆碳相比，更有利于降低负极材料的膨胀率。

技术研发人员：刘云峰,王力,陈涛,刘强,史诗伟,肖萼,涂飞跃,杨乐之,罗磊
受保护的技术使用者：长沙矿冶研究院有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29